[信息与通信]第十章传感器接口电路.ppt

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1、第10章 传感器接口电路,10.1 传感器输出信号的特点和处理方法 10.2 传感器信号检测电路 10.3 传感器与微型计算机的连接 10.4 传感器接口电路应用实例,10.1 传感器输出信号的特点和处理方法,10.1.1 输出信号的特点要对传感器的输出信号进行处理，必须了解传感器输出信号的特点才能选择合适的处理方案。由于传感器种类繁多，传感器输出信号形式也是各式各样的。例如，尽管同是温度传感器，热电偶随温度变化输出的是不同的电压，热敏电阻随温度变化使电阻发生变化，而双金属温度传感器则随温度变化输出开关信号如表10-1。传感器输出信号的特点：传感器的输出信号一般都比较微弱。有的传感器的输出电压

2、最小只有0.1V。传感器的输出阻抗都比较高。这样会使传感器输出信号输入到测量电路时，产生较大的信号衰减。传感器的输出信号的动态范围很宽。输出信号随着输入物理量的变化而变化，但不一定是线性比例关系。,下一页,返回,10.1 传感器输出信号的特点和处理方法,10.1.2 输出信号的处理方法根据传感器输出信号的特点，采取不同的信号处理方法来提高测量系统的测量精度和线性度，这正是传感器信号处理的主要目的。传感器在测量过程中常掺杂许多噪声信号，它会直接影响测量系统的精度。因此，抑制噪声也是传感器信号处理的重要内容。传感器输出信号的处理主要由传感器接口电路完成。因此，传感器接口电路应具有一定的信号预处理功

3、能，经预处理后的信号，应成为可供测量、控制及便于向微型计算机输入的信号形式。接口电路对不同的传感器是不同的，其典型的应用接口电路如表10-2所示。,上一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,完成传感器输出信号处理的各种接口电路统称为传感器检测电路。10.2.1 检测电路的形式有许多非电量检测技术要求对被测量与某一定值的判断进行比较，当达到确定值时，检测系统应输出控制信号。在这种情况下，大多使用开关型传感器，利用其开关功能，直接控制元件使用。使用开关型传感器的检测电路比较简单，可以直接用传感器输出的开关信号驱动控制电路和报警电路工作。定值判断的检测系统中，由于检测对象的原因，也常使用具有模拟信

4、号输出的传感器。在这种情况下，往往要先由检测电路进行信号的预处理，再放大，然后用比较器将传感器输出信号与设置的比较电平相比较。当传感器输出信号达到设置的比较电平时，比较器输出状态发生变化，由原来的低电平转为高电平输出，驱动控制电路及报警电路工作。,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,当检测系统要获得某一范围的连续信息时，必须使用模拟信号输出型传感器。传感器输出信号经接口电路预处理后，再经放大器放大，然后由数字式电压表将检测结果直接显示出来。数字式电压表一般由A/D转换器、译码器、驱动器及数字显示器组成。这种检测电路以数字读数的形式显示出被测物理量，例如，温度、水分、转速及位移量等。接口

5、电路则根据传感器输出信号特点进行选择。10.2.2 常用电路1.阻抗匹配器传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的衰减，常常采用高输入阻抗低输出阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。常见的阻抗匹配器有半导体管阻抗匹配器、场效应晶体管阻抗匹配器及运算放大器阻抗匹配器。,上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,半导体管阻抗匹配器，实际上是一个半导体管共集电极电路，又称为射极输出器。射极输出器的输出相位与输入相位相同，其电压放大倍数小于1，电流放大倍数从几十到几百倍。当发射极电阻为Re时，射极输出器的输入阻抗。因此，射极输出器的输入阻抗高，输出阻抗低，带负载能力强，常用来做阻抗

6、变换电路和前后级隔离电路。半导体管阻抗匹配器虽然有较高的输入阻抗，但由于受偏置电阻和本身基极及集电极间电阻的影响，不可能获得很高的输入阻抗，仍然无法满足一些传感器的要求。场效应晶体管是一种电平驱动元件，栅源极间电流很小，其输入阻抗可高达以上，可作为阻抗匹配器。场效应晶体管阻抗匹配器结构简单、体积小，因此常用做前置级的阻抗变换器。场效应晶体管阻抗匹配器有时还直接安装在传感器内，以减少外界的干扰，在电容式传感器、压电式传感器等容性传感器中，得到了广泛的应用。除此以外，还可以使用运算放大器做成阻抗匹配器。,上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,2.电桥电路电桥电路是传感器检测电路中经常

7、使用的电路，主要用来把传感器的电阻、电容、电感等参数转换为电压或电流，根据电桥供电电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。直流电桥主要用于电阻式传感器。例如，热敏电阻、电位器等；交流电桥主要用于电容式传感器和电感式传感器。电阻应变片传感器大都采用交流电桥，这是因为应变片电桥输出信号微弱需经放大器进行放大，而使用直流放大器容易产生零点漂移。此外，应变片与桥路之间采用电缆连接，其引线分布电容的影响不可忽略，使用交流电桥会消除这些 影响。(1)直流电桥直流电桥的基本电路，如图10-1所示。它是由直流电源供电的电桥电路，电阻R1、R2、R3和R4构成桥式电路的桥臂。桥路的一对角线是输出端，一般接有高

8、输入阻抗的放大器，,上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,因此可以把电桥的输出端看成是开路，电路不受负载电阻的影响。在电桥的另一对角线接点上加有直流电压U：电桥的输出电压可由下式给出，即(10-1)电桥的平衡条件为(10-2)当电桥平衡时，输出电压为零。当电桥4个臂的电阻发生变化而产生增量 R1、R2、R3、R4时，电桥的平衡被打破，电桥此时的输出电压为(10-3),上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,若取，则(10-4)当=1时，输出灵敏度最高，此时(10-5)如果R1=R2=R3=R4，则电桥电路被称为四等臂电桥，此时输出灵敏度最高，而非线性误差最小，因此在传

9、感器的实际应用中多采用四等臂电桥。直流电桥在应用过程中常出现误差，消除误差通常采用补偿法，其中包括零点平衡补偿、温度补偿和非线性补偿等。,上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,(2)交流电桥 如图10-2所示为交流桥式电路，其中变压器T的输出为双，Z1和Z2为阻抗元件，它们同时可以为电感或电容，电桥两臂为差动方式，又称为差动交流电桥。在初始状态时，Z1=Z2=Z0，电桥平衡，输出电压Uout=0。测量时，一个元件的阻抗增加，另一个元件的阻抗减小，假定Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z，则电桥的输出电压为 如果假定Z1=Z0-Z，Z2=Z0+Z，则电桥的输出电压为(11-6),上一页,

10、下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,3.放大电路传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下都需要放大电路。放大电路主要用来将传感器输出的直流信号或交流信号进行放大处理，为检测系统提供高精度的模拟输入信号，它对检测系统的精度起着关键作用，如图10-3所示。目前检测系统中的放大电路，除特殊情况外，一般都由运算放大器构成。(1)反相放大器 图10-3(a)是反相放大器的基本电路。输入电压Uin 通过电阻R1加到反相输入端，同相输入端接地，输出电压Uout通过电阻RF反馈到反相输入端。反相放大器的输出电压Uout可由下式确定，即(10-7),上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测

11、电路,式中的负号表示输出电压与输入电压反相，其放大倍数只取决于RF与R1的比值，具有很大的灵活性，因此反相放大器广泛应用于各种比例运算中。(2)同相放大器 图10-3(b)是同相放大器的基本电路。输入电压Uin直接从同相输入端加入，而输出电压Uout通过RF反馈到反相输入端。同相放大器的输出电压Uout可由下式确定，即(10-8)从式(10-2)可以看出，同相放大器的增益也同样只取决于RF与R1的比值，这个数值为正，说明输出电压与输入电压同相，而且其绝对值也比反相放大器大。(3)差动放大器,上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,图10-3(c)是差动放大器的基本电路。两个输入信号

12、U1和U2分别经R1和R2输入到运算放大器的反相输入端和同相输入端，输出电压Uout则经RF反馈到反相输入端。电路中要求R1=R2、RF=R3，差动放大器的输出电压Uout，可由下式确定，即(10-9)差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。共模信号是指在两个输入端所加的大小相等、极性相同的信号。理想的差动放大器对共模输入信号的放大倍数为零，所以差动放大器零点漂移最小。来自外部空间的电磁波干扰也属于共模信号，它们也会被差动放大器所抑制，所以说差动放大器的抗干扰能力极强。4.电荷放大器 利用压电式传感器进行测量时，压电元件输出的信号是电荷量的变化，配上适当的电容后，它的输出电压可高达几十伏到数

13、百伏，但信号源的内阻很大，信号功率很小。,上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,为此，要在压电元件和检测电路之间配接一个放大器，放大器应具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。目前用的较多的是电荷放大器。电荷放大器是一种带电容反馈的高输入阻抗、高放大倍数的运算放大器，其优点在于可以避免传输电缆分布电容的影响。图10-4是用于压电传感器的电荷放大器的等效电路。图中Q为电荷量K为运算放大器开环差模放大倍数，Cf为反馈电容，RF为反馈电阻，Ca为压电传感器等效电容，C0为电缆分布电容，Ra为压电传感器的等效电阻，Ci为电荷放大器的输入电容。如果忽略较高的输入电阻后，电荷放大器的输出电压Uou

14、t可由下式表示，即(10-10)由于K值很大，故，则上式可以简化为,上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,(10-11)从上式可以看出，电荷放大器输出电压Uout只与电荷Q和反馈电容Cf有关，而与传输电缆的分布电容无关，说明电荷放大器的输出电压不受传输电缆长度的影响，为远距离测量提供了方便条件。但是，测量精度却与配接电缆的分布电容C0有关，例如，当Cf=1000pF,K=104，Ca=100pF，电缆分布电容为100pF，要求测量精度为1%时，允许电缆的长度约为1000m，当要求的精度为0.1%时，则允许电缆的长度仅有100m。5.传感器与放大电路配接的示例图10-5所示是应变片

15、式传感器与测量电桥配接的放大电路。应变片式传感器作为电桥的一个桥臂，在电桥的输出端接入一个输入阻抗高、共模抑制作用好的放大电路。,上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,当被测物理量引起应变片电阻变化时，电桥的输出电压也随之改变，以实现被测物理量和电压之间的转换，在一般情况下，电桥的输出电压为毫伏数量级，因此必须加接放大电路。A1和A2是两个同相放大器，A3为差动放大器。当电桥产生的检测信号经A1和A2放大后，它们的输出电压将作为差动输入信号输入给A3进行放大。放大电路的输出电压为(10-12)应该指出，A3差动放大器的4个电阻精度要求很高，否则将会产生一定的测量误差。在实际应用中

16、，常在R7支路串联一个电位器，通过调节电位器，使在A1和A2输出相等时，输出电压Uout为零。此外，在实际应用中，电桥电路和放大电路之间往往用电缆进行连接，此时应采取一定的抗干扰措施，使干扰信号得到抑制。,上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,6.噪声的抑制在非电量的检测及控制系统中，往往混入一些干扰的噪声信号，它们会使测量结果产生很大的误差，这些误差将导致控制程序紊乱，从而造成控制系统中的执行机构产生误动作。因此在传感器信号处理中，噪声的抑制是非常重要的，噪声的抑制也是传感器信号处理的重要内容之一。(1)噪声产生的根源噪声就是测量系统电路中混入的无用信号，按噪声源的不同，噪声可

17、分为两种。内部噪声：内部噪声是由传感器或检测电路元件内部带电微粒的无规则运动产生的，例如热噪声、散粒噪声以及接触不良引起的噪声等。外部噪声：外部噪声则是由传感器检测系统外部人为或自然干扰造成的。外部噪声的来源主要为电磁辐射，当电机、开关及其他电子设备工作时会产生电磁辐射，雷电、大气电离及其他自然现象也会产生电磁辐射。,上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,在检测系统中，由于元件之间或电路之间存在着分布电容或电磁场，因而容易产生寄生耦合现象，在寄生耦合的作用下，电场、磁场及电磁波就会引入检测系统，干扰电路的正常工作。(2)噪声的抑制方法噪声的抑制方法主要有以下几种。选用质量好的元器

18、件。屏蔽。屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外电磁或电场相互干扰。屏蔽可分为3种，即电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。电场屏蔽主要用来防止元器件或电路间因分布电容耦合形成的干扰，磁场屏蔽主要用来消除元器件或电路间因磁场寄生耦合产生的干扰，磁场屏蔽的材料一般都选用高磁导系数的磁性材料，如铜、银等，利用电磁场在屏蔽金属内部产生涡流而起屏蔽作用。电磁屏蔽的屏蔽体可以不接地，但一般为防止分布电容的影响，可以使电磁屏蔽体接地，起到兼有电场屏蔽的作用，电场屏蔽体必须可靠接地。,上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,接地。电路或传感器中的地指的是一个等电

19、位点，它是电路或传感器的基准电位点，与其准电位点相连接，就是接地。传感器或电路接地，是为了清除电流流经公共地线阻抗时产生的噪声电压，也可以避免受磁场或地电位差的影响。把接地和屏蔽正确结合起来使用，就可以抑制大部分的噪声。隔离。前后两个电路信号端直接连接，容易形成环路电流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法，把两个电路的信号端从电路上隔开。隔离的方法主要采用变压器隔离和光电耦合器隔离，在两个电路之间加入隔离变压器可以切断地环路，实现前后电路的隔离，变压器隔离只适用于交流电路。在直流或超低频测量系统中，常采用光电耦合的方法实现电路的隔离。滤波。滤波电路或滤波器是一种能使某一部分频率顺利通过而另一

20、部分频率受到较大衰减的装置。因传感器的输出信号大多是缓慢变化的，因而对传感器输出信号的滤波常采用有源低通滤波器，它只允许低频信号通过而不能通过高频信号。,上一页,下一页,返回,10.2 传感器信号检测电路,常采用的方法是在运算放大器的同相端接入一阶或二阶RC有源低通滤波器，使干扰的高频信号滤除，而有用的低频信号顺利通过；反之，在输入端接高通滤波器，将低频干扰滤除，使高频有用信号顺利通过。除了上述的滤波器外，有时还要使用带通滤波器和带阻滤波器。带通滤波器的作用是只允许某一频带内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号都被阻断，它常用于从许多信号中获取所需要的信号，而使干扰信号被滤除。

21、带阻滤波器和带通滤波器相反，在规定的频带内，信号不能通过，而在其余频率范围内，信号则能顺利通过。总之，由于不同检测系统的需要，应选用不同的滤波电路。,上一页,返回,10.3 传感器与微型计算机的连接,10.3.1 传感器与微型计算机结合的重要性在现代技术中，传感器与微型计算机的结合，对信息处理自动化及科学技术进步起着非常重要的作用。具有以下几个重大意义。1.促进自动化生产水平的提高传感器与微型计算机的结合，可以进行多点测量，多参数测量，有选择性测量，实现自动校正，测量数据自动分析，测量结果自动传输，自动控制，使自动化仪表实现智能化，形成以智能化仪表为核心的工业生产监测与控制系统，使自动化生产水

22、平得到不断的提高。2.有利于新产品的开发在新产品的开发中，将传感器与微型计算机相结合，有利于开发出前所未有的高性能的传感器，如智能传感器。,下一页,返回,10.3 传感器与微型计算机的连接,3.提高企业管理水平微型计算机与传感器的结合，使得数据的检测、处理和统计的过程控制更为准确、迅速、合理，使企业在生产技术、产品质量、安全生产、节省人力和降低成本等方面提高到一个新的水平。4.为技术改造开辟新的领域随着国民经济的发展，企业除增添新的设备外，还需对大量的旧设备进行改造。如果把传感器与微型计算机结合起来在技术改造中得以应用，就会使各种旧设备得以更新和智能化，让它们发挥更大的作用。10.3.2 检测

23、信号在输入微型计算机前的处理检测信号在输入微型计算机前的处理要根据不同类型的传感器区别对待，具体分3种情况讨论。,上一页,下一页,返回,10.3 传感器与微型计算机的连接,1.接点开关型传感器这类传感器的输出信号是由开关接点的通、断形成的，虽然这种信号输入给微型计算机较容易，但会产生信号抖动现象，凡是机械触点开关传感器基本上都存在这个问题。消除抖动的方法可以采用硬件处理或软件处理，软件处理通常设定一个延迟时间，抖动消除时间设定在几十毫秒就足够了。2.无接点开关型传感器该类传感器输出的开关信号不存在抖动现象，但也不是数字信号，而具有模拟信号的特性。这时在微型计算机的输入电路中设置比较器，根据传感

24、器输出信号与基准比较电平相比较的结果，来判断开关状态，然后将比较结果通过输入口输给微型计算机。3.模拟输出型传感器模拟输出型传感器输出的是模拟信号，是微型计算机无法进行处理的，必须先把传感器输出的模拟量转换成数字量后再输给计算机，由计算机对信号进行分析处理。,上一页,下一页,返回,10.3 传感器与微型计算机的连接,模拟输出型传感器输出特性可分为电压输出变化型、电流输出变化型及阻抗变化型3种。对于电压输出变化型和电流输出变化型的传感器，首先将传感器输出的模拟电压信号或电流信号进行预处理，使它们转换成适当电平的模拟电压，再经A/D转换器转换成数字量，然后，经输入口输入给微型计算机。有时传感器和微

25、型计算机之间的距离较远，为了提高传输信号抗干扰的能力和减少信号线的数目，传感器的输出信号经预处理后，再经V/F转换器将模拟电压转换成频率变化信号。由于频率变化信号也属于数字量信号，因而可以不经过A/D转换器，直接经输入口输入给微型计算机。对于阻抗变换型传感器，一般使用LC振荡器或RC振荡器将传感器输出的阻抗变化转换成频率的变化，再经输入口输入给微型计算机。,上一页,下一页,返回,10.3 传感器与微型计算机的连接,10.3.3 模数转换电路模数转换电路(又叫A/D转换电路)的作用是将由传感器检测电路预处理过的模拟信号转换成适合计算机处理的数字信号，然后输入给微型计算机。A/D转换器是集成在一块

26、芯片上能完成模拟信号向数字信号转换的单元电路。A/D转换的方法有多种，最常用的是比较型和积分型两类。此外还有并行比较型、逐步逼近型、计数器型等。比较型是将模拟输入电压与基准电压比较后直接得到数字信号输出。积分型是先将模拟信号电压转换成时间间隔或频率信号，然后再把时间间隔或频率信号转换成数字信号输出。若转换为8位二进制数字信号，比较型转换器的转换时间为，而积分型转换器的转换时间较慢，通常需要。,上一页,下一页,返回,10.3 传感器与微型计算机的连接,选择A/D转换器时，需要考虑它的精度、转换时间和价格。比较型A/D转换器的转换速度快，但要实现高精度则价格比较高。积分型A/D转换器虽然转换时间较

27、长，但价格低，精度高。下面对这两种常用的转换器作简要的介绍。1.比较型A/D转换器比较型A/D转换器一般由比较器、D/A数模转换器、时序电路和输出寄存器等组成，如图10-6所示。由比较转换原理可以知道，对任一个输入电压Uin，下式成立，即Uin=UrefN+(10-13)式中 Uref基准电压；A/D转换器输出端量化值与输入端模拟电压之间的误差，称量化误差。N二时制位权表示式，无量纲，可以写成(10-14),上一页,下一页,返回,10.3 传感器与微型计算机的连接,式中 Di第i位的系数值，其值为0或1。如果忽略量化误差，则D1,D2,Dn就是对应于输入电压Uin的数字量。从原理上讲，比较型A

28、/D转换器的转换时间与模拟输入信号大小无关，只与电路特性有关，是恒定的。转换后的数字信号可以并行输出也可以串行输出。比较型A/D转换器常用于要求中、高速转换的场合。2.积分型A/D转换器积分型A/D转换器是先将输入的模拟电压转换成相应的时间间隔，然后采用计数器对时间间隔计数。在积分型A/D转换方式中，有单积分、双积分和多积分等形式，其中应用最广的是双积分转换方式，其线性和噪声消除特性好，而且价格低。图10-7所示是双积分型A/D转换器的工作原理图。,上一页,下一页,返回,10.3 传感器与微型计算机的连接,这种转换器由零点校正期、输出信号积分期和基准电压积分期三个期间组成转换周期。首先在期间，

29、开关S1接通，将转换器的输入端接地，将反馈环闭合，并在电容器中存储误差信息，对元件的偏移电压等误差进行自动校正。在期间，开关S1断开、S2接通，对输入电压进行积分，产生与输入电压成正比的积分器输出。在期间，开关S3接通，改变转换器的输入状态，对与输入电压极性相反的基准电压进行积分。在及期间积分的同时对时钟脉冲进行计数，以确定积分时间，将输入电压值进行数字化处理。如果在电路设计上保证两个积分区的积分值相等，输入电压和基准电压间有如下的关系，即(10-15)式(10-15)中，T3为在期间的积分时间；T2为在期间的积分时间。由此可求出数字值。,上一页,下一页,返回,10.3 传感器与微型计算机的连

30、接,双积分型A/D转换器的转换精度与积分电容和时钟频率无关，因为它们对正向积分和反向积分具有相同的影响。转换精度仅与基准电压的精度和稳定性有关。另外，由于数码均由时钟及计数器产生，不会有失码现象，因此其积分线性度很好。积分过程具有低通特性，还对高频噪声有着良好的抑制作用。这种转换器的唯一缺点是转换时间长，一般仅适用于变化缓慢的传感器输出信号的转换，如热电偶等。10.3.4 电压频率转换电路电压频率转换电路(又是叫V/F转换电路)也是模/数转换接口电路的一种，它将电压或电流转换成脉冲序列，该脉冲序列的瞬时周期精确地与模拟量成正比关系。虽然V/F转换电路是一种模/模转换电路，但由于频率可用数字方法

31、进行测量，因而也可以实现模/数转换，所以它是一种准数字化电路。V/F转换电路的形式较多，但以积分式V/F转换电路应用最为广泛。,上一页,下一页,返回,10.3 传感器与微型计算机的连接,图10-8所示是积分式V/F转换电路的工作原理图。电路由积分器、电平检测器和积分复原开关等构成。电平检测器通常由电压比较器担任，它具有双限阈值电平，当积分电容充电到下限值电平时，电平检测电路将使由场效应管VF构成的复原开关导通，使电容迅速放电。当积分器输出电压达到上限阈值电平时，VF重新截止，积分电容再次充电。由运算放大器的特性可以知道输入信号Uin为(10-16)式(10-6)中为电容C的充电电流。电容两端的

32、电压为(10-17)式中，Q为充电电荷量，t为电容C的充电时间。,上一页,下一页,返回,10.3 传感器与微型计算机的连接,当t=T、Uc=Ur时(10-18)式中，Ur为电平检测器具有的双限阈值电平之差。由图可知，充放电频率为(10-19)式中为放电时间，T为充电时间。当频率很低时，td可以忽略。此时(10-20),上一页,下一页,返回,10.3 传感器与微型计算机的连接,可见，输入信号电压转换成了频率的变化，V/F转换电路的主要特点是：对共模干扰抑制能力强，分辨力高，输出信号适用于远距离串行输出，其主要缺点是转换速率低，必须由外加计数器将串行的脉冲输出转换为并行形式，因此，它适用于低速率信

33、号的转换。V/F转换电路的输出跟踪输入信号，直接响应输入信号的变化，不需要外部时钟信号同步。另外，在用V/F转换电路实现A/D转换时，也不必加采样保持电路，因为它的输出总是对应于输入信号的平均值。,上一页,返回,10.4 传感器接口电路应用实例,图10-9所示为自动温度控制仪表电路框图。由图可知，该系统主要由以下几部分组成：传感器、差分放大器、V/F转换电路、CPU、存储器、监视与复位电路、显示电路及键盘、控制输出电路与系统支持电源。它是一个典型的单片机测控电路。有实时信号的采集，信号的调节，模拟/数字的转换，数据的显示，键盘控制数据的输入，控制信号输出等。这些都在单片机的协调、控制下完成。温

34、度信号的采集可以用热电偶、铜热电阻、铂热电阻、数字温度芯片、模拟温度芯片等，视具体应用时对温度范围、精度、测量对象等的要求而选定。不同的传感器需要不同的电路连接，可根据传感器的类型、技术参数来设计。,下一页,返回,10.4 传感器接口电路应用实例,在测控电路中信号的采集是关键，它直接影响到系统的精度。通常现场情况都是比较恶劣的，信号易受干扰，所以在信号采集中必须采用有效的措施，如电源隔离、A/D转换隔离、V/F转换隔离、低通滤波器、差分放大等。本例采用的差分放大、V/F转换是一种性价比较高的方案。差分放大器能有效地抑制共模干扰，采用V/F转换能有效抑制噪声和对信号变化进行平滑，同时频率信号与单

35、片机接口也比较方便。本电路还具有良好的精度和线性度。显示功能可根据应用环境、产品定位选用不同的显示器材，如LED、LCD、CRT等。本例中采用的是ED，配以动态扫描电路，价格低廉，可以实时显示采集的数据，键盘输入的控制参数等。在测控系统中控制参数的设置是必不可少的，使用中要根据输入信息量来选用合适的键盘。,上一页,下一页,返回,10.4 传感器接口电路应用实例,现场数据要按一定的算法进行运算，要进行非线性校正，要根据键盘输入设定的参数进行控制，控制必须按一定的方式进行。一般现场闭环控制中最常用的是PID(比例积分微分校正)算法。这些都是由单片机进行的，在工业控制中80C51系列单片机应用比较多

36、。本例采用89C52型，它带8KB的E2PROM。该单片机性价比很高，有一定的可靠性、合理性。信号输出在工业控制中多采用继电器、晶闸管、固态继电器等方式，其可靠性很重要，将影响到系统的安全。一般被控制对象的功率都很大，产生的干扰也很大，所以在输出通道中要采用电源隔离、干扰吸收等措施。测控系统中的电源也很重要，它直接影响到系统的可靠性、稳定性、精度。应根据应用环境、电路形式来选用，关键是电源的输出功率、电源的质量、能提供的输出组数等。,上一页,返回,表10-1 传感器的一般输出形式,返回,表10-2 典型的传感器接口电路,返回,图10-1 直流电桥的基本电路,返回,图10-2 电感式传感器配用的交流电桥电路,返回,图10-3 放大电路,(a)反相放大器；(b)同相放大器；(c)差动放大器,返回,图10-4 电荷放大器等效电路,返回,图10-5 应变片式传感器与测量电桥配接的放大电路,返回,图10-6 比较型A/D转换器原理图,返回,图10-7 双积分型A/D转换器工作原理图,(a)电路原理图；(b)积分波形,返回,图10-8 积分型V/F转换电路,返回,图10-9 测控仪表原理框图,返回,